background image

WZMACNIACZE RÓŻNICOWE

1. WSTĘP

       Wzmacniacz różnicowy działa na zasadzie układu mostkowego składającego się z dwóch 
tranzystorów.   Układ   taki   już   od   dawna   znany   był   w   technice   pomiarowej.   Z   chwilą 
pojawienia   się   układów   scalonych   wzmacniacz   różnicowy,   ze   względu   na   swoje   zalety, 
znalazł zastosowanie także w elektronicznym sprzęcie powszechnego użytku w zakresie od 
m.cz. aż do w.cz.

      Wzmacniacz   różnicowy   składa   się   z   dwóch   tranzystorów   połączonych   w   układzie 
mostkowym  (Rys.1). 

Rys.1 Wzmacniacz różnicowy.

               Jeżeli tranzystory mają dokładnie takie same parametry, a rezystory dokładnie takie 
same wartości (przy produkcji układów scalonych jest to łatwe do uzyskania), to mostek 
znajduje  się w  równowadze  i napięcie  wyjściowe U

2

  = 0. Gdy do  wejścia różnicowego 

przyłoży się sygnał napięcia przemiennego, to w obwodach sterujących obydwa tranzystory 
powstaną napięcia o takich samych amplitudach, ale przeciwnych fazach. W skutek tego 
prądy   przepływające   w   obwodach   kolektorów   będą   się   zmieniać   w   przeciwfazie   i   na 
zaciskach wyjściowych u

2

 powstanie wzmocnione napięcie z wejścia różnicowego.

        Gdy jednak do zacisków wejściowych doprowadzi się sygnały o zgodnych fazach, to 
obydwa tranzystory zostaną wysterowane w tym samym kierunku i napięcie u

2

 na przekątnej 

mostka   wyniesie   zero.   Nazywa   się   to   tłumieniem   sygnału   współbieżnego   (synfazowego, 
nieróżnicowego).   Takimi   sygnałami   synfazowymi   są   np.   wahania   napięcia   zasilania   lub 
indukowany   w   przewodach   zasilających   przydźwięk   sieci.   Sygnał   współbieżny   powstaje 
także wtedy, gdy obydwa tranzystory równomiernie się nagrzewają i w związku z tym tak 
samo rosną ich prądy kolektora. Napięcie wyjściowe u

2

 wówczas się nie zmienia zwłaszcza 

wtedy,   gdy   obydwa   tranzystory,   umieszczone   tuż   obok   siebie,   znajdują   się   w   dobrym 
kontakcie   cieplnym   i   zawsze   mają   jednakową   temperaturę.   Przypadek   taki   występuje   w 
układach scalonych, w których wszystkie tranzystory są wykonane na jednej i tej samej płytce 
krzemowej. Scalony wzmacniacz różnicowy jest więc bardzo stabilny temperaturowo (ma 
mały dryft temperaturowy.)
       Ważna dla działania wzmacniacza różnicowego jest jego wspólna rezystancja  R

EE

  

obwodzie emiterów.   Gdy na skutek sygnału   współbieżnego   będzie chciał wzrosnąć prąd 
całkowity   płynący   przez   rezystancję   R

EE

,  to  w  obydwu  tranzystorach   napięcie   bazy   U

BE 

zmieni  się  w  taki  sposób,  że ograniczy  wzrost  prądu.  Natomiast  w  przypadku  sygnałów 

background image

przeciwsobnych (różnicowych) na wejściu różnicowym prąd płynący przez jeden tranzystor 
zmniejszy się w takim samym stosunku, w jakim wzrośnie prąd w drugim tranzystorze. Prąd 
w   obwodzie   emiterów   pozostanie   stały   nawet   przy   zwiększeniu   wejściowych   napięć 
przeciwsobnych. Rezystancja w tym obwodzie nie ma więc prawie wpływu na wzmocnienie 
różnicowe.   Im   większa   rezystancja   w   obwodzie   emiterów,   tym   bardziej   stabilny   prąd 
całkowity   i   tym   lepiej   są   tłumione   zakłócenia   powodowane   przez   sygnały   synfazowe 
(współbieżne)   i   zmiany   temperatury.   Dlatego   często   zamiast   rezystora   R

EE

  stosuje   się 

tranzystor   pracujący   jako   źródło   prądowe   (   które   ma   dużą   różniczkową   rezystancję 
wewnętrzną, a przy tym jego rezystancja statyczna - stałoprądowa jest niewielka).

1.2 Wzmacniacz różnicowy o regulowanym wzmocnieniu

           Ten sam układ, a mianowicie tranzystor zastępujący wspólną rezystancję w obwodzie 
emiterów, można wykorzystać także do innych celów . Gdy do tranzystora T

3

 nie doprowadzi 

się   stałego   napięcia   polaryzacji   bazy,   lecz   zmienne,   jak   na   rysunku   2,   to   można   nim 
regulować prąd emitera T

3

 i tym samym wielkość sumy prądów emiterów T

1

 i T

2

    

                                                                    

                                                           

Rys. 2  Wzmacniacz różnicowy o regulowanym wzmocnieniu i jego charakterystyki 

przejściowe dla dwóch różnych prądów tranzystora T3.

Gdy   w   doprowadzeniach   emiterów   tranzystorów   umieścimy   dodatkowo   po   jednym 
rezystorze, to uzyskamy jeszcze lepszą symetrię mostka i szerszy zakres wysterowania. Na 
rysunku 2 przedstawiono charakterystyki przejściowe układu..  Linia 1  dotyczy przypadku, 
gdy   przez   tranzystor   regulacyjny   T

3

  płynie   większy   prąd.   Napięcie   U

2

  jest   dla   małych 

wartości proporcjonalne do napięcia wejściowego U

1

.

 

2. OPIS TECHNICZNY BADANEGO UKŁADU

        W ćwiczeniu wykorzystujemy wkładkę DUR1 (albo DN031A) zawierającą wzmacniacz 
różnicowy z  możliwością  zastosowania  różnego  rodzaju obciążeń jak i  zasilania emiterów. 

background image

Układ różnicowy, którego schemat przedstawiano na rys. 3. składa się z dwóch tranzystorów
(T

1

, T

2

)  monolitycznego  układu  scalonego UL1111.  Tranzystory te są polaryzowane przez

przełączany układ pomocniczy, który w zależności od pozycji przełącznika może realizować 
prądowe zasilanie emiterów (źródło prądowe T

3

  o wydajności 0,5   lub 1,5 mA) lub też - 

zasilanie quasiprądowe - przez rezystor R

17

. W tym drugim przypadku prąd zasilania emiterów 

wynosi około 1,5 mA.

Rys.3. Schemat badanego układu różnicowego DUR1 (DN031A).

Badany układ różnicowy może współpracować z obciążeniem liniowym (rezystory R

5

 i R

6

) lub 

z   obciążeniem   dynamicznym   sterowanym   (wtórnik   prądowy   T

6

,   T

7

).   Zmiany   rodzaju 

obciążenia dokonuje się przełącznikiem suwakowym "R

C

 - dyn" , W pozycji "R

C

" kolektory 

obu tranzystorów T

1

 i T

2

 dołączone są przez rezystory do napięcia zasilania +5V. Tranzystory 

wtórnika prądowego T

6

, T

7

  są wówczas zatkane. W pozycji "dyn" układ różnicowy zasilany 

jest w sposób pokazany na rys. 4.

background image

Rys.4 Zasilanie kolektorów układu różnicowego za pomocą wtórnika (lustra) prądowego

w   pozycji "dyn" przełącznika rodzaju obciążenia.

Jak   widać   na   rysunku,   ten   sposób   zasilania   umożliwia   uzyskanie   dużych   wartości 
napięciowego   wzmocnienia   różnicowego   (przy   R

E 

  ∞)   oraz   eliminację   sygnału 

współbieżnego   (do   obciążenia   płynie   różnica   prądów   kolektorów).   co   -   po   pierwsze   - 
prowadzi do radykalnego zmniejszenia wzmocnienia sumacyjnego k

US

, zaś po drugie - do 

uzyskania   różnicowego   sygnału   na   wyjściu   niesymetrycznym.   Rezystor   R

C

  w   przypadku 

obciążenia dynamicznego służy do ograniczenia wzmocnienia różnicowego, bowiem przy 
bardzo dużych wartościach  k

UR

  utrzymanie  układu różnicowego w   stanie  równowagi  jest 

bardzo trudne, np. ze względu na różnice charakterystyk tranzystorów T

1

 i T

2

 lub niesymetrię 

wtórnika prądowego T

6

, T

7

. Płyty czołowe modułów DUR1  oraz DN031A przedstawiono na 

rys.11.

3. WYKAZ APARATURY POMOCNICZEJ

     - wkładka charakterograficzna  2 - kanałowa         SCH1 (SN7212)
     - przełącznik 4 - kanałowy (2 - kanałowy) "dc"     SP2, SP4  (SA4011)
     - generator sygnałów synfazowych                         SGS3 (SN3112) 

4. OBSERWACJE I POMIARY

4.1 Obserwacja statycznych charakterystyk przejściowych układu różnicowego

             

Ideę  obserwacji   charakterystyk   przejściowych   przedstawia   rys.   5.   Charakterystyki 

przejściowe obu części układu mogą być obserwowane jednocześnie za pomocą   wkładki 
charakterograficznej dwukanałowej SCH1 (SN7212). Po połączeniu układu zgodnie z rys.6, 
we   wzmacniaczu   należy   ustawić   tryb   pracy   XY   i   uziemić   bazę   tranzystora   T

2

  poprzez 

wciśnięcie odpowiednich przycisków.
           Na ekranie oscyloskopu należy obejrzeć i przerysować do protokołu charakterystyki 
układu   współpracującego   z   różnymi   obciążeniami   i   dla   różnych   warunków   zasilania 
emiterów.   W   szczególności   dla   symetrycznego   obciążenia   liniowego   R

C

=2kΩ   i   prądu   I

0,5[mA], trzeba określić przyporządkowanie tranzystorów do charakterystyk i ustalić który 
tranzystor jest  odwracający  ze  względu  na  sygnał  wejściowy. Zmierzyć szerokość zakresu 

background image

Rys.5 Uproszczony schemat układu badanego przy obserwacji statycznych

charakterystyk  przejściowych.

roboczego   napięcia   wejściowego.   Na   przebiegach   napięć   wyjściowych,   zidentyfikować 
przypuszczalne stany pracy tranzystorów - aktywny, odcięcia prądu kolektora, nasycenia.
         Zmienić prąd zasilania emiterów na 1,5[mA], jakie zmiany nastąpiły w przebiegach; 
określić te zmiany jakościowo i ilościowo. Jak wielkie jest teraz wzmocnienie różnicowe ?.  

Rys.6 Schemat blokowy połączenia przyrządów pomiarowych do obserwacji statycznych

charakterystyk  przejściowych układu różnicowego DUR1 (DN031A).

                 Zaproponować alternatywne sposoby powiększania wzmocnienia układu. Zmierzyć 
wzmocnienie   napięciowe   na   wyjściach   asymetrycznych   (kolektor   –   masa)   dla   obciążenia 
dynamicznego i porównać z adekwatnym przypadkiem obciążenia statycznego.
         Zaobserwować zmiany w charakterystykach układu dla prądu emiterów I

E

 = 1,5[mA]  w 

przypadku   źródła   prądowego   oraz   rezystora   emiterowego   R

E

.   W   obu   tych   przypadkach 

obciążenie  tranzystorów  powinno być   statyczne R

C

  = 2kΩ.    Wyjaśnić  dlaczego napięcie 

wyjściowe z kolektora tranzystora T

1

  od pewnych wartości napięcia wejściowego zaczyna 

wzrastać. Ile wynosi wtedy wzmocnienie ?.

     Należy także zbadać wpływ zmian napięcia bazy T

2

 (włączyć U

b2

 = V) na położenie obu 

charakterystyk przejściowych w kilku z badanych poprzednio przypadków.

background image

        Na   zakończenie   zaobserwować   dokładny   przebieg   charakterystyk   przejściowych   w 

zakresie przełączania prądu zwiększając 50-krotnie czułość odchylania we wkładce DUR1 
(DNO3lA). Baza T

2

 winna być wtedy ponownie zwarta do masy.

4.2. Pomiary wzmocnienia różnicowego układu 

       W tej części ćwiczenia badany układ  będzie traktowany jako wzmacniacz różnicowy, 
którego wejściem nieodwracającym jest baza T

1

, odwracającym - baza T

2

  , zaś wyjściem - 

kolektor T

2

. Ideę pomiaru przedstawiono na rys. 8a.

Rys.8 Uproszczone schematy ideowe układu badanego przy pomiarach wzmocnienia

różnicowego a)    i  sumacyjnego b).

        Do pomiarów wzmocnienia różnicowego k

UR

 trzeba zatem włączyć tryb "

V" bazy T

1

 i 

uziemić bazę T

2

. Przełącznik  SP4 albo SP2 (SA4011) powinien być w  pozycji "A" (pomiar 

napięcia  U

wy2

).  Poszukiwane   wzmocnienie   różnicowe  jest  ilorazem   chwilowego   przyrostu 

napięcia kolektora tranzystora T

2

(Wy

2

) i   wzrostu napięcia wejściowego o 5[mV] podczas 

naciskania   klawisza   "  

  ".   Schemat     blokowy     połączenia     aparatury     do   pomiarów 

wzmocnień   przedstawia   rysunek   7.   Pomiary   należy   przeprowadzić   dla   6   kombinacji 
układowych zamieszczonych w Tabeli 1.

Rys 7. Schemat blokowy układu do pomiarów  wzmocnienia różnicowego i sumacyjnego.

4.3. 

Pomiary wzmocnienia sumacyjnego

      Wzmocnienie sumacyjne k

US

 układu określa się na podstawie pomiaru zmiany napięcia 

kolektora     T

2

    (Wy

2

),     która   powstaje   w   wyniku   zmiany   napięcia   między   połączonymi 

background image

równolegle bazami tranzystorów T

1

  i T

2

, a masą układu, patrz rys. 8b. Zgodnie z tą ideą, 

trzeba obie bazy przełączyć w tryb "V". Napięcie wejściowe - "V", mierzone w położeniu "B" 
przełącznika SP4 albo SP2 (SA4011), należy zmieniać od jednej skrajnej jego wartości do 
drugiej.   Dla   każdej   z   tych   wartości   napięcia   "V"   odnotować   odpowiadające   im   wartości 
napięcia wyjściowego u

WY2

  (pomiar w położeniu "A" przełącznika). Zatem w każdym z 6 

przypadków   Tabeli   1   dysponować   się   będzie   parą   wartości   napięcia   wejściowego   i 
odpowiadającymi im dwoma wartościami napięcia wyjściowego. 

Tabela 1

Warunki pomiaru wzmocnienia k

UR

 i k

US 

badanego układu różnicowego

Lp.

Obciążenie

Zasilanie emiterów

1

liniowe,         R

C

 =   2 k

I

E

 =  0,5 mA

2

liniowe,         R

C

 =   2 k

I

E

 =  1,5 mA

3

liniowe,         R

C

 =   2 k

R

E

4

Dynamiczne,  R

C

 =   2 k

I

E

 = 1,5  mA

5

Dynamiczne,  R

C

 = 20 k

I

E

 = 1,5  mA

6

Dynamiczne,  R

C

 =   2 k

R

E

        Jako opracowanie wyników z pkt. 4.2 i 4.3, dla każdego mierzonego przypadku, należy 
obliczyć   współczynnik   tłumienia   składowej   sumacyjnej   CMRR   (WTSS)   -   to   jest   iloraz 
wzmocnień k

UR

 i k

US

.

4.4. Badanie wzmacniacza różnicowego jako układu analogowego mnożenia sygnałów 

      Wykorzystując zależność wzmocnienia k

UR

, od prądu zasilającego emitery tranzystorów 

układu  różnicowego,  można  zrealizować  w  tym układzie operację mnożenia analogowego.
W   szczególnym   przypadku   właściwość   ta   może   być   wykorzystana   do   modulacji 
amplitudowej. Ideę takiej pracy przedstawiono na rysunku 9.

Rys.9. Uproszczony schemat układu badanego pracującego jako modulator amplitudy.

background image

       Do sterowania tego układu należy wykorzystać generator sygnałów synfazowych SGS3 
(SN3112), odpowiedni  schemat blokowy układu pomiarowego przedstawia  rysunek 10.

Rys.10. Schemat blokowy do badania układu różnicowego pracującego jako analogowy

układ mnożący.

Tryb pracy bazy tranzystora T

1

 należy ustawić na "MOD", baza T

2

 ma być uziemiona. Układ 

różnicowy  powinien  współpracować  z  obciążeniem  dynamicznym  przy   R

C 

=2 k

    oraz 

I

E 

=1,5 [mA].

 

Należy  pamiętać o synchronizacji  oscyloskopu z  generatora  SGS3  (SN3112). 

Z pomocą prowadzącego tak ustawić amplitudy sygnałów wejściowych tak aby uzyskać 50% 
modulację   amplitudy.   Przebieg   napięcia   wyjściowego   przerysować   do   protokołu   z 
zachowaniem skali obu osi współrzędnych. Następnie przełączyć obciążenie dynamiczne na 
liniowe i ponownie przerysować obserwowany przebieg do protokołu. 

a)                                                                           b)

Rys. 11. Płyty czołowe wkładek DUR1 - a) oraz   DN31A - b).